设备远程状态监测与故障诊断.pdf

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设备远程状态监测与故障诊断pdf,设备远程状态监测与故障诊断:设备远程状态监测与故障诊断技术是将传统的状态监测、故障诊断技术与计算机、网络技术相结合,其特点是监测数据资料、分析方法和诊断知识的网络共享,为传统的设备状态监测和故障诊断技术赋予了新的含义,基于网络的开放体系能改善故障诊断专家系统的性能,提高诊断智能水平。本文分析了远程状态监溅系统的组成、数据管理方案及其实施方案。分绍了旋转机械的故障机理及其故障特征的提取和推理,讨论了基于Intemet的远程诊断的实现方案,并构造了设备远程状态检测与故障诊断系统(RMDS)。
Abstract The technology of state monitoring and fault diagnosis of equipment has made great progress in and out of our country recently, which plays an important role in serving the equipments for their stable, long-term and safe running. However, with the advancement of modern science and technology, the equipments tend to be larger, faster as well as more roboticized and complicated which makes on the one hand the technology of state monitoring and fault diagnosis more important, on the other hand the technology becomes more specialized and harder to master. This also restricts the development of this technology The development of computer and network technology has it practical for the remote monitoring and fault diagnosis based on Internet, which contributes much to this traditional technology. Man has no longer to be restricted to distance. Wherever he is, the operating states of the machines are available as long as he is on the Internet. The fault data is delivered to experts or remote expert system by network then the results can be send back, so man's running about is replaced by the transferring of data through the network. By this way the latest theory and technology can be used more easily. The dissertation makes some discusses on the different modes of remote monitoring and diagnosis, analyses their advantages as well as disadvantages The mode of Browser/Server is chosen and its key technologies are introduced The software platform which includes operating system, server software and database server is discussed. win2000 Servert SQL Server+iIS 5.0 is chosen as the operating platform, C++ Builder 5.0 and Dreamweaver MX. the developing tools. This dissertation analyses the structure, data management and realization of remote monitoring, introduces mechanism and diagnosis of fault. After discussing the scheme of remote diagnosis based on Internet this dissertation constructs Remote Monitoring and Diagnosis System (RMDS) Remote Monitoring and Diagnosis System(RMDS) has been put into practical use and brought about great benefit Keywords: State monitoring, Signal process, Faults recognition, Expert system, Browser/Server, Remote diagnosis 第一章绪论 第一章绪论 1.1课题概述 1.1课题来源 本学位论文的课题来源于河南省重大科技攻关项目:“设备远程诊断技术及系列产品 的开发”(项目编号:01220200),本论文所研究的主要内容是该项目的重要组成部分 课题来源于企业生产现场的实际需要。 1.1.2课题的提出及意义 随着现代技术的不断发展,各种旋转机械设备(如汽轮机、发电机、鼓风机及压缩 机等)日益大型化、高速化、重载化和复杂化,机组的机械效率与自动化水平都比以前 有了很大的提高,在国民经济中发挥着极其重要的作用。由于这些旋转机械是现代化连 续生产过程中的关键部分,一且发生故障造成停机,不仅使其本身遭受重大损失,而且 造成连续生产中断,导致停工停产,带来巨大的经济损失和社会影响~3 现代化大生产对设备运行的稳定性、可靠性提出了更高的要求,相应的机械设备状 态监测和故障诊断技术也变得更加复杂。设备状态监测和诊断技术是门综合性技术,涉 及知识面广,企业的技术人员不一定具备相当的专业知识。而专门从事这方面研究的专 家一般集中在大专院校和科研院所等,这就造成了人力资源的不合理分布,也使得设备 监测诊断技术的推广和应用受到限制。 在企业生产现场从出现故障症兆到故障发生,往往仅有几十分钟或几分钟的时间, 专家尚在千里之外来不及赶到,电话联系又常常词不达意。能否有一种方法使专家们及 时了解机组的运行状态;一旦出现故障,现场的故障数据或故障分析图谱可以很快地传 给专家,专家分析完毕后再返回诊断结果,指导现场人员处理现场情况。这一设想随着 现代网络技术和现代通讯技术的发展已经成为可能,这就是所谓的基于 Internet的设备 远程状态监测与故障诊断技术。 tenet起源于 ARPANET( Advanced Research Projects Agency Network)1),是1969 年由美国国防部高级研究署ARPA为了研究包括交换计算机网络、使科研人员能够共享 远程计算机的硬件和软件资源而建立的实验性网络。 Internet的出现是人类历史发展中的 个伟大的里程碑,它是未来信息高速公路的雏形,人类正由此进入一个前所未有的信 息化社会。人们用各种名称来称呼 Intemet,如国际互联网络、因特网、交互网络、网际 网等等,它正在向全世界各大洲延伸和扩散,不断增添吸收新的网络成员,已经成为世 界上覆盖面最广、规模最大、信息资源最丰富的计算机信息网络。 Internet技术,尤其是 Web技术的发展,使得网络这个概念逐渐为普通群众所熟悉。在屮国, Internet互联的用 户数飞速递增。 Internet在生活、学习、工作方式乃至思想领域影响着人们,给人们的 郑州太学硕士学位论文 生活和工作带来了巨大的方便。网终基础设施也快速发展,我国已建立了以电信网、无 线与有线电视网和计算机互联网为代表的三大网络系统。客户接入也较为方便,可根据 不同的悄况选择不同的接入方式,如调制解调器接入,局域网接入等等。从软件技术上 来看,基于TCPP的网络协议集的逐步完善,Web技术以及各种新技术如COM、 ActiveX、 DHTML、JAVA、ASP等蓬勃发展,FIP服务、Web服务、E-mai服务、以及远程会议 等逐步成熟 设备远程状态监测与故障诊断技术是将传统的状态监测、故障诊断技术与计算机、 网络技术相结合9。传统的监测诊断理论基本趋于成熟,飞速发展的计算机技术和网 络技术提供了完备的硬件设施和技术支持。基于 Intemet的远程状态监测与故障诊断技 术的研究和应用绝对不仅仅是赶潮流,而是大势所趋,也响应了国家“用信息技术提升 传统产业”的号召。 远程状态临测和故障诊断技术具有以下优势: 1.远程在线状态监测可以使人们摆脱距离的束缚,可以在异地及时地查看设备的运 行状态,可以改变企业的设备管理模式。 2远程监测诊断能加强企业和科研机构的技术合作和交流。一方面,科研机构有机 会充分地发挥自己的技术优势为企业服务,使其理论和实践相结合。另一方面,企业可 以得到科研机构的技术支持。 3.基于网络的开放体系能改善故障诊断专家系统的性能,提高诊断智能水平:(1) 这样会大大增加系统的“临床”机会,可以形成丰富的诊断数据库和知识库。因而其学 习的机会也大大增加,诊断经验也迅速丰富。(2)可实现多诊断系统远程协作诊断,异 地协同会诊可以从根本上提高了系统的整体诊断能力。(3)远程诊断可以实现世界范围 的诊断知识与诊断资料的共亨 1.2文献综述 1.2.1国内外研究发展概况 20世纪六七十年代旋转机械的状态监测和故障诊断技术应运而生并受到了广泛的 关注。用计算机对大型机组进行在线监测能及时地了解机组的运行参数、当前工作状态, 报警监测和事故追忆能高速瞬时保存大量异常信息,便于进行事故分析和研究。采用模 糊数学和灰色理论等进行故障诊断,对监测过程中保存的信息分析计算,从而判断机组 运行是否正常。若存在故障,则指出故障类别、程度、部位及发展趋势,从而合理地给 出机组使用寿命的佶计、维修时间的调整、设备设计制造的改进和最佳运行参数设定。 对现代工业生产中各类大型旋转机械实施状态监测和故障诊断技术,极大地避免了重大 事故的发生,保证了机组安全、可靠地运行,降低了设备维护费用,提高了机组还行效 率,具有十分重大而深远的意义。现代设备监测诊断技术是以现代动力学、信号采集 信息处理、人工智能、模式识别、集成电路、计算机技术、网络技术等为中心的一门新 第一章绪论 兴学科。在振动信号分析方面,除了经典的统计分析、时频域分析、时序模型分析、参 数识别外,近来又发展了基于非平稳信号假设的短时傅立叶变换、 Wigner分布利小波变 换等。在诊断方面,人工智能中的专家系统、神经网络、模式识别、模糊诊断等技术得 到了广泛的应用。 从技术应用方面来看,六十年代末开始,国内外开展了大规模的状态蓝测和故障诊 断方面的研究并开发了一系列的产品,如美国 Bently公司的DDM系统、ADRE系统, 英国中心发电部的TEM系统,日本三菱公司的MHMS等等。这些系统在实际应用中又 得到了进一步的发展和提高。我国在八十年代也开始进行该技术的开发与研究,哈工大 首先提岀用模糊数学理论实施机组振动分析和故障诊断,开发了MMMD系统并投入运 行,西安交大等单位也研制了 RMMDS系统,上海交大以及其他科研单位在人工神经网 络和灰色理论应用于机组的故障分析诊断方面也做了许多工作1。郑州大学振动研究所 开发的MMDS系统,采用了先进的矢谱分析理论,使诊断的准确度大大提高,在实际 运用中取得了很好的效果。 旋转机械故障诊断与监测技术经历了这样几个发展阶段,2 1.离线监测与人工诊断方式 对于早期简单、小型的机械设备,往往采用眼看、耳听、手模等,凭人的感觉和经 验即可进行判别。这是运用简单手段进行简单的状态监测和故障诊断,这种监测方式下, 判断结果受到工作人员经验等状况的影响,因此准确性难以保证。随着设备的日益复杂 化这种简单的方法越来越显得无能为力 2.以多用户联杋、集中式控制为特征的单机监控与诊断 这是第一代睑控与诊断系统。这时的监测与诊断系统主要是针对某…特定被监测的 机器而设计的,它主要由一台计算机和一块或多块功能模板构成,信息的交换与处理仅 限于监测与诊断系统内部,因而是一种封闭式的系统 3.以局域网终、集散化控制为特征的分布式监控与诊断 它主要是针对大型机电设备主机和多辅助功能分布和地域分布的特点,通过工业局 域网把分布于各个局部现场,独立完成特定功能的本地计算机互联起来,以实现资源共 享、协同工作、分散睑测和集中操作、管理与诊断功能的工业计算机树络系统,这是基 于工业局域网的相对丌放的系统,监控信息的处理在局域网内部进行。 4.基于 Internet的远程监测诊断 进入20世纪90年代后期,随着计算柷技术和信息技术的发展,特别信息高速公路 的开通,设备状态监测与故障诊断也步入 Internet阶段,这是一种传统监测诊断技术与 现代网终相结合的一种新型技术 基于 Internet的远程监测诊断研究工作最早是从医学领域开始的11,1988年开放 式的远程医疗系统的概念在美国提出,人们普遍认为开放式的远程医疗系统应包括远程 诊断、专家会议、信息服务、在线监测和在线学习几个部分。国内外的许多医院和医科 大学都建立了较为实用化的远程医疗系统 设备的故障诊断和人类的疾病诊断相似,从技术上说也可以实现远程设备监测诊 断。远程医疗诊断采用的系统体系结构、信息传输方法和异地专家会诊组织、实现的形 郑州大学硕士学位论文 式都可以为远程监测诊断借鉴和采用,但由于重视程度不够和投入的科研经費少、人力 不足等原因,工业领域的远程监测诊断工作进展较慢。1997年首届基于 Internet的工业 远程监测诊断研讨会由斯坦福大学和麻省理工大学主办,会议讨论了远程监测诊断系统 连接开放式体系、诊断信息规程、传输协议,并对未来技术发展作了展望。会上的提议 得到了许多大公司的大力支持,很快建立了一个限于合作者间的远程诊断示范体系 Testbed。该系统采用嵌入式Web组网,用实时JAVA和 Bayesian Net实现远程信息交换 和诊断推理,但它离实用还有很大距离。密执安大学也在积极开展针对机槭加工的远程 监测诊断和制造系统的研究工作,并在 Intemet上建立了一个宣传站点。许多国际组织 也纷纷通过网络进行设备故障诊断咨询和技术推广工作并制定了一些信息交换格式和 标准。许多大公可在他们的产品中也加入了 Internet功能,如 Bently公司的计算机在线 设备运行状态监测系统 DataManager2000可以通过网络动态数据交换 NetDDe)的方式向 远程终端发送设备运行状态, National Instruments公司在其虚拟仪器产品IabⅤEw屮 新增加了 Internet模块,可以通过WWW、 E-Mail、FTP方式发送测试数据[8 国内就目前掌握的资料来看,西安交通大学、上海交通大学和哈尔滨工业大学都在 向国外先进水平看,已开始或准备开始从事工业领域的远程监测诊断研究工作。目前 为止,西交大和上海交大的远程监测诊断中心已基本上建立,但仅仪是处于试用阶段, 还未进入实用阶段。华中理工大学也于1989年初开始了前期研究工作,并于同年11月 在 nternet上设立了一个远程诊断宣传站点,向国内介绍远程诊断技术,并以技术示范 的方式向用户提供十分有限的远程诊断服务。华中理工大学何龄松教授的个人站点 Remote Diagnosis House也详细的介绍了远程故障诊断,并列出了一些远程产品。同时 Bently、 Entek、 Soltan等大公司也纷纷将他们最新的网络化设备状态监测产品推向中国 市场,这对增进我国学术界和企业界的网络化设备故障诊断意识和提高我国的设备故障 诊断水平也起到了积极的促进作用。 1.2.2有待解决的问题 远程监测诊断的特点是监测数据资料、分析方法和诊断知识的网络共享,因此必须 使传统监测诊断的三大部分,即信号采集、信号分析和专家系统和网络相结合,并且具 备远程客户端和专家端的接口。要实现这一步我们首先要解决以下几个问题: 1.必须解决网络环境下运行的远程信号采集、信号分析和故障诊断等有关软件的设 计,使传统意义上的设备状态监测诊断终端通过 nternet和 Intranet从设备运行现场延伸 到企业总控室,甚至延伸到数千公里以外的有关部门和专家的微机上。 2.远程监测诊断必须解决数据传输问题,以及专家或专家系统分析结果的回传。使 得远程监测诊断系统真正成为一个双方的实时交互的系统。并且由于网络状况的限制, 必须对大量的实时数据进行取舍或压缩等处理。远程传输问题是远程监测诊断的一个关 键问题。 3国内有些企业由于重视程度不够或是经济状况不好等原因,网络基础设施建设差, 接入网络带宽窄,不少企业甚至不能够连上 Internet,因此必须考虑那些不能宽带上网, 只能通过低速的 Modem上网的企业的接入问题 第一章绪论 1.3本文的主要研究工作 本文的主要研究工作有: l.探讨了远程状态监测与故障诊断的几种实现模式,并比较它们的优缺点,并着重 诃论了clieη f/Server模式和 Browser Server模式的特点,根据本课题实际情况选择了 Browser/ Server模式作为系统的实现方案 2.研究了基于 Browser/Serve模式的结构组成和特点及其实现的关键技术: Midas 技术、Web数据库技术、 Activex技术等。 3.分析比较了几种常用的网终操作系统软件、服务器软件、数据库软件以及系统的 开发工具,选择了 indows200 erver+110+ SQL Sever的运行平台,以C+」 Buider5.0、 Dreamweaver MX等作为开发工具 4.研究了远程监测系统的组成、数据管理方案及其实施方案。介了旋转机械的故 障机理及其故障特征的提取和推理,研究了基于 Internet的远程诊断的实现方案。 5开发了设备远程状态监测与故障诊断系统(RMDs),将系统运用于生产现场,并 对系统实现模式的可行性和系统可靠性进行考核 4小结 本章论述了课题的来源和课题提出的意义;分析了设备远程状态临测与故障诊断的 优势;论述了设备监测诊断技术的发展历程和远程监辦诊断技术在国内外的发晨概况、 有待解决的问题以及本文研究的主要工作。 第二章远程监测诊断系统的实现模式 第二章远程监测诊断系统的实现模式 远程在线状态监测与故障诊断是将计算机网络技术与设备监测诊断技术相结 合,因此,其实现模式在很大程度上受到网络技术的影响和制约。 Intemet上提供的 主要服务有远程登录< Telnet)、文件传輸(FTP)、电子邮件(E-mai)、信息浏览 ( Gopher、WWW)、文档查询索引( Archie、WAIS)、网络新闻( USEnet)等服务。 为保证网络上各主机和节点之间能正确地交换信息,它们的运行必须遵守一定的规 则,这些规则称为协议,协议的集合称为协议族εiη tenet使用τCPP协议族,其 中最为常用的有:用于WWW的HTTP协议、用于文件传输的FTP协议、用于电 子邮件的POP3和SMTP协议等等1920。结合远程监测与诊断的特点和要求,目前 常用的远程监测诊断模式有:基于E-mal·远程监测诊断、基于FTP的远程监测诊 断、基于视频会议的远程监测诊断以及基于 Client/Server和 Browser/Server模式的 远程监测诊断等。 2.l简单离线远程监测诊断 远程监测诊断技术发展的最初阶段,为了实现简便快捷的数据交流和监测诊断, 人们常使用基于 E-mail8和FTP的远程监测诊断-3 2.1.1基于 E-mail的远程监测故障诊断 基于E-maⅱl的远程监测故障诊断是早期人们经常采用的一种远程监测与故障诊 新模式,它主要是利用 Internet上提供的电子邮件服务。该模式的工作过程姐下: (1)现场维护人员将监测信息如监测数据,分析图谱以及诊断申请报告通过 E-mai方式传至远程诊断中心。 (2)诊断中心将信息分配给有关专家进行诊断。 3)诊断专家根据对监测信息的分析、处理,得出诊断结果和维修建议,并通 过诊断中心以 E-mail的方式发送到监测现场,供现场人员参考并帮助其进行决策。 基于F-mnai的远程监测诊断最大优点就是简便易行:实现简单,不需要较多 的开发:使用维护费用低,用户可以借助互联网上提供服务的邮件服务商,或是自 4购置服务器提供邮件服务;对网络环境如网速等要求不高,双方只要能够上网即 可。但是,这种实现方式的缺点也是显而易见的;实时性,交互性差,提供的服务 少,难以满足现代化生产的要求。 2.1.2基于FP(文件传输协议)的远程监测诊断 与大多数 Interme服务一样,FTP也是一个客户机服务器系统。用户通过一个 支持FTP协议的客户机程序,连接到在远程主机上的FTP服务器程序。用户通过客 郑大学硕士学律论文 户机程序向嚴务器程序发出命令,服务器程序执行用户所发出的命令,并将执行的 结果返回到客户机。比如说,用户发出一条命令,要求服务器向用户传送某一个文 件的一份拷贝,服务器会应这条命令,将指定文件送至用户的机器上。客户机程 序代表用户接收到这个文件,将其存放在用户目录中。 FTP服务分匿名服务和非匿名服务,匿名FTP是这样一种机制,用户可通过它 连接到远程主机上,并从其下载文件,而无需成为其注册用户。系统管理员建立了 个特殊的用户ID,名为 &onymous, Enternet上的任何人在住何地方都可使用该 用户I。但是使用匿名FTP服务有时不太安全,尤其是在远程状态监测故障诊断 中,有时用户需要上传大量的数据文件到服务器端备份或进行趋势分析,这样不可 能使匿名用户具有上传权限。故需要开启实名FTP服务,为远程用户建立帐号,密 码,以防有人恶意攻害。FTP在服务器端开启21端口,监听客户端有无连接要求 如有连接要求,服务器端接受其要求,发送或接受数据。在实用当中可以在服务器 端建立FTP服务器,客户端应用相应软件向服务器端传输 这种方式实现也比较方便,这方面的软件较为成熟。但也没有充分利用 Internet 的优点,交互性较差,限制了远程中心专家对现场监测数据操作的灵活性和主动性。 为此,可以和以下几种方式交互使用。 2.2基于视频会议的远程监测诊断 为更好地模拟专家现场会谂的效果,出现了基于视频会议的远程监测诊断。视 頻会议就是当现场岀现故障的时候通过网络召集专家参加网络会议,对现场故障做 出诊断,可达到现场专家会诊的水平 下面我们简述一下视频会议。视频会议有多种分类方法,按传输网络的不同可 分为基于专网或DDN网、基于PSTN网和基于 LAN/WAN网的视频会议;按终端 不同则可分为会议室型和桌面型视频会议p2 桌面型视频会议相对比较适合现阶段的发展情况,它将视频会议与个人计算机 融为一体,一般由一台个人计算机配备相应的软硬件构成(摄像机、麦克风、用于 编解码的硬件或软件),在多个地点进行多方会议时,还应设置一台多点控制设备 进行图像、语音的切换控制。这样的系统适用于几个人之间的讨论交流。对图像要 求质量也不高,它通常在ISDN上以128kbs或更低的速率工作,提供CP或oCIP 格式的图像。与会者在办公室卓前或在家中就可以通过自己的终端设备或计算机参 与视频会议,他们可以发表意见,观看对方形象或有关任务,同时双方还可以共享 程序,利用电子白板进行书面交流。桌面型视频会议系统造价低廉,使用方便。 实际使用时也较为简单,在E50中集成了 Netmeeting这个视频软件, Microsoft 公司通过 Internet Location services这个单独的服务器程序来配合 Netmeeting实现 视频会议服务。在 Exchanger55中, Microsoft公司也将这项服务集成了进来。所以 结合 Netmeeting和 Exchanger55就可以配置基于视频会议的远程诊断但是受网络 带宽的限制,网上视频会议应用的还较少,本文不作详细讨论。

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